坚固的有效载荷计算机商用无人机应用

背景

近年来，商用无人机技术显著提高。商用无人机的许多用途依赖于图像捕捉和处理，使用GoPro等公司的标准相机技术进行专业摄影、视频和电影制作。

不过，商用无人机也越来越多地与更先进的成像摄像系统结合使用，这些系统采用了高光谱成像、短波红外（SWIR）和激光雷达（光探测和测距）等技术。对于环境和损害调查，SWIR具有明显的优势，能够“看穿”雾、雨或霾粒子和其他具有挑战性的大气条件，以提供感兴趣物体的高对比度视图。

下面的图片展示了与匹配的SWIR图像并排的旧金山海湾大桥的裸眼视图。

图1：美国国家航空航天局-旧金山海湾大桥的SWIR图像

而SWIR处理的是电磁(EM)光谱的红外范围，而高光谱成像能够捕获更多的电磁光谱波段。高光谱图像文件通常被称为数据立方，由x、y维度的空间数据和第三维度的EM波长数据组成(图2)。根据图像分辨率和其他因素，数据立方的大小可能在100兆字节。最初开发用于石油和采矿勘探，现在的用途包括农业监测(疾病、植物物种检测和成熟度)以及物理、天文学、历史研究、泄漏检测和安全和监视。

与SWIR和高光谱成像不同，LiDAR使用激光技术和惯性测量单元(IMU)生成高分辨率地图，用于地质、地震、林业、激光制导和其他用途。激光雷达技术传统上用于高空军事航空电子设备或商用飞机，现在已经成熟和“缩小”到无人机现在可以在很多情况下部署的程度。

图2:Wikipedia–高光谱3D数据立方体²

设计挑战

所有这些商业成像技术在数据链速度、存储和处理能力方面给有效载荷计算机带来了巨大的负担。根据使用场景的不同，它也可能需要在崎岖的应力或温度环境下操作。

这些应用程序的通用接口数据链路包括Cameralink（2 Gb/s基本速率）、CoaXPress（高达6.25 Gb/s）、USB3.0（5 Gb/s）或以太网（1Gb/s和10Gb/s）。

商用无人机在尺寸和重量方面也有很大的限制。从下表可以看出，一些常见的商用无人机的成本、重量承载能力和电池寿命之间存在直接关联:

来源：drones.specout.com

所有这些因素对商用有效载荷计算机提出了一系列具有挑战性的要求：

• 机械坚固
• 延长工作温度
• 体积小，重量轻
• 高性能的处理
• 高性能摄像头接口
• 大容量存储器

有效载荷计算机设计

ADL最近与一家客户合作开发下一代SWIR传感器技术，需要一个无人机测试平台进行演示。客户的实验性SWIR相机通过USB3.0与有效载荷计算机进行接口，计划稍后通过Cameralink进行接口。

图4:ADL有效载荷计算机，配备SWIR摄像头和MX万向节组件中的DJI Ron。所用无人机型号为DJI Matrice 600.4,5

ADL Embedded Solutions, Inc.使用Solidworks™设计软件，为Ronin MX框架组装和客户输入的DJI机械制图，成功设计了一款定制有效载荷计算机，其特点包括:

• ADLQM87PC Intel Core i7 CPU（PCIe/104）
• 崎岖的采用精铝设计
• 宽工作温度范围的热设计
• 体积小，重量轻，有安装孔，适用于DJI Ronin MX框架和SWIR相机系统
• 802.11无线网络连接
• 2个高速Cameralink端口，供将来使用
• 2个USB3.0接口，用于当前实验性SWIR相机

客户结果

客户能够在收到有效载荷计算机后的短短3周内利用DJI无人机测试平台和实验性SWIR摄像机。包括6周的咨询和开发期，对于这台坚固的有效负载计算机来说，从概念到操作使用的总体开发时间不到10周。

该新SWIR技术的初步测试结果非常成功，客户预计将于2016年第四季度晚些时候发布新闻稿，宣布这一重要里程碑。

参考文献：
1.NASA衍生品- SWIR
2.维基百科-高光谱成像
3.无人机比较
4.DJI Matrice 600无人机
5.DJI Ronin MX万向节